Категории:

Методика лабораторных экспериментов 50 стр

Поиск по сайту:


Скачать 147.5 Kb.
Дата22.03.2012
Размер147.5 Kb.
ТипРеферат
Подобный материал:

www.diplomrus.ru ®

Авторское выполнение научных работ любой сложности – грамотно и в срок

Содержание

ВВЕДЕНИЕ. 4 стр. 1.0 Эколого - биотехнологические сведения об углеотходах в


угольной промышленности. 9 стр.


1.1. Общая характеристика углеотходов в угольной промышленности. 9 стр.


1.2. Геотехнологический процесс формирования шахтных вод в


горных выработках угольных предприятий. 15 стр.


1.2.1 .Основные сведенья о составе шахтных вод. 19 стр.


1.3. Основные сведения о влиянии взвешенных веществ на окружающую среду. 23 стр.


1.4. Эколого - биотехнологические направления утилизации 25 стр. углеотходов.


1.5. Цель и задачи исследований. 26 стр. ВЫВОДЫ. 27 стр. 2.0 Биотехнологические принципы очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ. 28 стр.


2.1. Биологическая природа процесса. 28 стр. 2.1.1 .Микробиология. 28 стр. 2.1.2. Фактор температуры. 3 2 стр. 2.13. Фактор рНсреды. 34 стр.


2.2. биотехнологические особенности процесса очистки шахтных


вод от взвешенных углеотходов. 35 стр.


2.2.1. Общие принципы. 35 стр.


2.2.2. Гомогенный прием. 36 стр.


2.2.3. Гетерогенный прием. 38 стр.


2.2.4. Фактор аэрации. 42 стр. ВЫВОДЫ 45 стр. З.ОЛабораторные исследования биотехнологического


1


процесса разрушения буроугольных веществ в шахтных


водах. 46 стр.


3.1. Требования к аппаратурному оформлению лабораторных


установок. 46 стр.


3.1.1. Лабораторная установка для гомогенного процесса. 46 стр.


3.1.2. Лабораторная установка для гетерогенного процесса. 47 стр. 32. Характеристика объектов исследований. 50 стр.


3.3. Методика лабораторных экспериментов 50 стр.


3.3.1. Получение рабочего объема бактериальной суспензии. 50 стр.


3.3.2. Контроль параметров протекания процесса


биоразрушения буроугольных веществ в шахтных водах. 54 стр.


3.3.3. Статистическая обработка результатов экспериментов. 55 стр.


3.3.4. Результаты лабораторных исследований. 55 стр.


3.4. Изучение процесса биотехнологического разрушения


углистого вещества при контакте с буроугольным субстратом. 62 стр.


3.4.1. Определение константы скорости роста микробной популяции и динамики изменения концентрации взвешенных


веществ. 62 стр.


3.4.2. Изучение динамики изменения средних значений выхода гумусового вещества в аппаратах гомогенного и гетерогенного


типов при непрерывном режиме водопритока. 74 стр.


ВЫВОДЫ. 74 стр.


4.0.Опытная оценка эффективности биотехнологии разрушения буроугольных отходов в шахтных водах. 79 стр.


4.1. Объект исследований. 79 стр.


4.2. Результаты экспериментов. 82 стр.


4.3. Анализ результатов опытных экспериментов. 82 стр.


4.4. Экономическая оценка биотехнологии очистки шахтных вод


от взвешенных буроугольных отходов. 88 стр.


ВЫВОДЫ. 89 стр.


5.0. Биотехнологический регламент реализации очистки


шахтных вод от взвешенных буроугольных веществ. 91 стр.


5.1. Методика расчета параметров. 91 стр.


5.2. Пример расчета параметров биотехнологического регламента очистки шахтных вод от взвешенных буроугольных


отходов. 96 стр.


ВЫВОДЫ. 97 стр.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 98 стр.


Спиоткиспользуемьклитературнькисточникок 100 стр.

Введение


Введение.


Актуальность работы. Современное развитие угольной промышленности характеризуется переводом экономики отрасли на рыночные отношения и закрытия в ряде случаев не рентабельных производств. Несмотря на снижение объемов добычи угля отрасль продолжает оказывать негативное влияние на компоненты биосферы, что выражается, прежде всего, в накоплении твердых отходов, изменение состояния почв и ландшафтов, загрязнении атмосферного воздуха и водных ресурсов аэрозолями и взвешенными веществами соответственно.


Геотехнологическая специфика разработки угольных


месторождений характеризуется значительным водопритоком в горные выработки из вышележащих горизонтов и вмещающих пород. Поступающая в шахту вода при этом насыщается мелко раздробленными частицами угля, породы, нефтемаслопродуктами от технологических процессов добычи и транспортировки угля. Причем доля загрязнения биосферы углистыми веществами от сточных вод угольных шахт достигает 64%. Состав взвешенных углистых веществ определяется марками углей разрабатываемого месторождения.


Для осушения горных выработок в основном применяется откачка загрязненных шахтных вод на поверхность в специально сооружаемые для этого пруды отстойники. Накапливаемый угольно-породный шлам в настоящее время практически не утилизируется. В связи с этим приходится решать задачу, связанную с возможностью предварительной очистки откачиваемых вод от взвешенных веществ непосредственно в подземных условиях угольных шахт.


Однако существующие способы очистки воды в шахтных условиях на базе использования стационарных отстойников с наклонными камерами осветления и эрлифтовых установок требуют значительных капитальных вложений и поэтому не нашли широкого применения.


Вместе с тем известно, что углистое вещество представляет собой углеводородное соединение, которое по свидетельству отдельных исследований может быть использовано в качестве основного источника питания для определенных видов микроорганизмов. Данное обстоятельство послужило основой для разработки направлений биоконверсии углеотходов для получения газообразных энергоносителей и биотехнологического восстановления почв, загрязненных отходами в районах действующих угольных предприятий. Конечным продуктом утилизации углеотходов при этом являются метан, водород и гумусовое вещество соответственно.


Развитие прикладной микробиологии доказывает высокую эффективность биотехнологических процессов при реализации цикличных и непрерывных режимов. В этой связи следует отметить тот факт, что экологические параметры угольных шахт практически полностью отвечают требованиям реализации биотехнологического способа очистки шахтных вод от взвешенных веществ.


Сущность биотехнологического способа заключается в свойстве определенных видов микроорганизмов осуществлять процесс деструкции сложных углеводородных соединений до простых веществ с последующим синтезом из них веществ, которые не противоречат составу самой природы. Поэтому разработка биотехнологии уменьшения углистых веществ в жидких отходах угольной промышленности является актуальной научной задачей.


Цель работы — повышения эффективности природоохранных мероприятий в угольной промышленности на основе биотехнологии очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ.


Идея работы — заключается в способности определенных видов микроорганизмов в нормальных термодинамических условиях угольных шахт осуществлять расщепление углистых веществ в шахтных водах и


синтезировать из продуктов расщепления гумусовое вещество. Задачи исследований включают:


• провести эколого - биотехнологический анализ сведений об углеотходах в угольной промышленности и обоснование очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ;


• рассмотреть эколого — биотехнологические принципы очистки шахтных вод от углистых веществ;


• выполнить лабораторные исследования биотехнологических процессов очистки шахтных вод от буроугольных отходов;


• провести опытную оценку эффективности биотехнологии очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ с учетом экономических показателей;


• разработать биотехнологический регламент реализации очистки шахтных вод от взвешенных веществ в условиях угольного предприятия.


Научные положения, выносимые на защиту и их новизна.


Выполнено обоснование эколого - биотехнологических решений очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ на основе использования смешанной культуры, включающих в себя Azotobacter chroococcum, Bacilus meqaterium и Methylosinus tricnosporium микроорганизмов, которым соответствуют геотехнологические условия горных выработок угольных шахт по показателям Т °С, рН среды и химический состав водопритока.


Установлено, что при протекании биотехнологического процесса очистки воды наблюдается эффект иммобилизации клеток на поверхности буроугольных отходов вследствие наличия разницы потенциалов между ними. Динамика изменения рН среды при этом носит затухающий колебательный характер от 7,0 до 6,0 с установившимся значением 6,5.


В шахтных условиях биотехнологическое разрушение углистого


вещества в сточных водах протекает при температуре 20-30 °С, рН воды 7,0 - 6,0 , что соответствует типичным горизонтам буроугольных шахт, при реализации непрерывного режима водопритока.


Биотехнология очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ включает четыре основные фазы протекания процесса: - первая фаза - гидролиз буроугольного вещества до образования органических соединений сложного состава; - вторая фаза - метанообразование, обусловленная биоконвертированием гидролизного продукта в биогаз, включающий в себя метан, водород и частично оксид углерода с накоплением биомассы консорциума микроорганизмов; - третья фаза -метаноокисление, включающая в себя последовательный процесс по схеме метан —» метанол —> формальдегид —* муравьиная кислота —* углекислый газ с приростом биомассы при этом; - четвертая фаза - автолиза, характеризуется естественным распадом биомассы консорциума микроорганизмов и формированием гумусового вещества.


Экологическая значимость биотехнологического процесса очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ заключается в получении из них гумусового вещества.


Разработана методика расчета параметров биотехнологического регламента, которая базируется на учете 36 исходных данных, включающих горнотехнические, физико-химические и биологические факторы, в том числе 13 расчетных уравнений


Достоверность научных исследований обусловлена проведением теоретических, лабораторных и опытных исследований с учетом эколого-экономической оценки процесса на базе установления надежности полученных результатов по общепринятым статистических методах обработки полученных данных, на основе критериальной оценки константы скорости развития бактерий в реальных подземных условиях угольных шахт.


Научная ценность работы состоит в раскрытии физико-химического механизма фазовой последовательности биодеструкции углистых веществ в сточных водах угольных шахт с последующим биоконвертированием из продуктов гидролиза углеводородов гумусового вещества.


Установлено, что процесс биодеструкции углистого вещества в сточных водах угольных шахт сопровождается затухающим колебательным процессом изменения рН среды от 7,0 до 6,0 и стабилизацией кислотно-щелочного баланса рН=6,5 в интервале температур 20-30 °С.


Практическое значение работы заключается:


- в разработке биотехнологического регламента реализации очистки сточных вод от взвешенных веществ в геотехнологических условиях буроугольных шахт и метода расчета основных параметров протекания процесса в непрерывном режиме водопритока со средней эффективностью 54% биоутилизации буроугольных отходов с откачкой очищенной воды на поверхность, обогащенной гумусовыми веществами до 2,4 г/л сут.


Апробация работы: основные положения диссертации докладывались на научно-практических конференциях по направлению экология и безопасность жизнедеятельности экологического факультета Российского Университета Дружбы Народов в 2000, 2001, 2002 и 2004 годах и научно-методических семинарах кафедры Промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности.


Публикации:


Основные положения диссертационной работы опубликованы в 3-х печатных работах.


Объем и структура диссертации:


Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 106 стр. машинописного текста, содержит 23 рисунка, 20 таблиц и список используемых литературных источников из 94 наименований отечественных и зарубежных авторов.


1.0 Эколого - биотехнологические сведения об углеотходах в угольной промышленности.


1.1. Общая характеристика углеотходов в угольной


промышленности


Характерной особенностью разработки угольных месторождений как подземным, так и открытым способами [1, 2, 3, 4] является накопление углеотходов. Данное обстоятельство обусловлено разнообразием залегания угольных пластов [5, 6] и спецификой разработки месторождений полезных ископаемых [7].


Количество углеотходов, накапливаемых в биосфере по оценке различных авторов достигает 24% [8] от общего количества добываемого угля. Суммарная добыча угля для нужд развития страны в настоящее время составляет около 550 млн. т. [9]. В связи с тенденцией повышения доли добычи угля в общем энергетическом балансе России [10] следует ожидать накопление углеотходов. Качественная характеристика углеотходов определяется физико-химическими свойствами разрабатываемого угольного пласта, его возрастом и степенью метаморфизма. Сведения о разрабатываемых марках угля приведены в таблице 1.1 [10]. Как видно из приведенных данных углеотходы включают широкий спектр марок углей, качественно отличных по своим физико-химическим свойствам [11]. Данное обстоятельство обусловлено тем, что состав угля, а, следовательно, и углеотходов в той или иной мере включают минеральные вещества, к которым, прежде всего, относят зольность, серностность и влажность. В то же время минеральный состав угля содержит широкий перечень химических элементов [12]. (таблица 1.2). В состав органической массы углеотходов входят углерод, водород, кислород и азот [13]. Количество углерода значительно превышает количество водорода, кислорода и азота вместе взятых. Отношение углерода к


Таблица 1.1


Общие сведения о разрабатываемых марках угля.


Степень метаморфизма Марка угля Бассейн


Бурый Б-1 Подмосковный


Печорский


Б-2 Кузнецкий


Б-3 Канско-Ачинский


Приморский


Каменный Г- газовый Донецкий


Д- длиннопламенныи Кузнецкий


Ж- жирный Печорский


К- коксующийся Приморский


ОС- особоспекаемый Якут-Саха


Антрацит А-1 Донецкий


А-2 Печорский


10


Таблица 1.2


Общие сведения о содержании химических элементов в минеральной части углей


Элементы Содержание


Макроэлементы


Кремний 1,5-12,2


Алюминий 0,6-7,8


Железо 0,6-3,8


Кальций 0,6-3,8


Магний 0,1-0,6


Калий 0,1-0,9


Натрий 0,04-3,0


Микроэлементы


Барий, Бериллий, Бор, Ванадий,


Галлий, Германий, Индий, Кадмий,


Медь, Молибден, Ниобий, Суммарно до 1860 г/т


Рубидий, Рений, Скандий, Теллур,


Церий, Цирконий, Цезий и другие.


11


перечисленным веществам для разных марок составляет 15-25 единиц. Химические связи между углеродом и водородом образуют схему бензольного кольца с наличием в точках сопряжения ответвлений СН с ослабленными связями.


Фракционный состав углеотходов изменяется в широком диапазоне от мелкодисперсной пыли до кусочков угля различной формы и размеров [14]. Физическая структура углеотходов представлена развитой системой пор и включает: видимые поры и трещины, субмакропоры, переходные поры и улътрамикропоры, внутренняя поверхность которых превышает 300 м^ / cmj отходов [11,18]. Содержание газов в углеотходах обусловлено природной газоносностью разрабатываемых пластов. Для буроугольных отходов характерно содержание в них углекислого газа и свободного азота; каменных - в основном метана; антрацитовые - имеют практически нулевое содержание газов [15]. Практически все углеотходы в местах их .копления являются пожароопасными вследствие их самовозгорания от окислительных процессов при наличии окислителей, к которым, прежде всего, относятся кислород воздуха и кислые воды, фильтрующиеся через насыпную массу отходов [16]. В ряде случаев самовозгорание угля происходит от биохимических процессов. Учитывая тот факт, что углеотходы, как правило, находятся в природных и техногенных условиях, на их внутренней и внешней поверхностях живут и развиваются многие живые компоненты, которые представлены, прежде всего, широким разнообразием микроорганизмов, грибов и лишайников [17].


Образование углеотходов при разработке угольных пластов наблюдается на всех технологических этапах [19, 20] освоения месторождений. При вскрытии угольных пластов и ведении подготовительных работ углеотходы совместно с вмещающими породами размещаются в породных отвалах [21, 22]. Основные потери угля наблюдаются при ведении очистных работ и перегрузке угля, вследствие


12


чего они накапливаются непосредственно в горных выработках. Часть углеотходов в виде мелкодисперсной пыли выносится вместе с проветриваемым воздухом горных выработок [23], а также при транспортировке угля на поверхности конвейерным, автомобильным и железнодорожным транспортами [7]. Часть углеотходов включаются в состав шахтных вод, которые в виде мелкодисперсных примесей накапливаются в хвостохранилищах. Таким образом, накопление углеотходов происходит в твердых, жидких и газообразных компонентах биосферы.


Динамика накопления твердых, жидких и газообразных веществ, содержащих углеотходы, приведена на рис. 1.1. [9]. Как видно из приведенного графика в период 1995-97 гг. наблюдается спад накопления отходов угольной промышленности, что обусловлено снижением добычи угля в период реструктуризации отрасли при переходе к рыночной экономике. Вследствие увеличения добычи угля в настоящее время следует ожидать увеличения накопления отходов.


Рост выбросов различных вредных веществ в окружающую среду приводит к отрицательному воздействию на компоненты биосферы. Достаточно отметить тот факт, что под действием перемещения воздушных масс породная и угольная пыль от породных отвалов, вентиляционных систем, пунктов перегрузки и транспортировки распространяется в приземном слое по направлению ветра на значительные (до 30 км.) расстояния [21]. Данное обстоятельство приводит к загрязнению территориальных структур: почвы, водоемов, лесных массивов и, в ряде случаев, в низменных частях ландшафта. Все это обуславливает неуправляемое накопление твердых отходов вследствие их гравитационного оседания. Распространяемая в атмосферном воздухе угольная пыль вызывает у человека аллергические и респираторные заболевания, а так же приводит к возникновению силикоза, антракоза и других болезней.


13


Рисунок 1.1.


800-


Динамика накопления углеотходов в угольной промышленности.


650


1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000


ГОДЫ


И


Вместе с тем следует отметить тот факт, что при разработке угольных месторождений повсеместно наблюдается образование и накопление в горных выработках шахтных вод [24], содержащих в себе значительное количество углеотходов в виде взвешенных веществ.


Таким образом, потери угля при его добыче приводят к накоплению углеотходов, которые отрицательно воздействуют на компоненты биосферы и здоровье населения. В то же время углеотходы, как и исходный уголь, обладают значительным энергетическим потенциалом по показателям содержания углерода и водорода, а также редкоземельных элементов. Поэтому в мировой практике принимаются все необходимые меры по утилизации техногенных угольных отходов.


1.2. Геотехнологический процесс формирования шахтных вод в горных выработках угольных шахт.


При разработке угольных пластов сопутствующим фактором является образование и накопление в горных выработках сточных вод, величина которых определяется горно-геологическими условиями разрабатываемого месторождения и техногенными процессами добычи полезного ископаемого [2].


Приток воды в горные выработки от вышерасположенных горизонтов обусловлено пересечением горными работами водоносных пластов, а также в результате дренажа поверхностных вод [25,26].


Количество притока вод определяется общим объемом пор, заполняемых подземными водами, влагоемкостью пород, климатическими условиями (количеством атмосферных осадков и др.), площадью питания и составом пород [25, 26]. Приток воды в горные выработки определяется общим объемом пор путем непосредственного проникновения воды через стволы, скважины, трещины, как тектонического происхождения, так и


15


развивающихся в процессе обрушения массива пород над выработанным пространством угольных пластов [5, 27,28].


Для условий угольных месторождений подземные воды в основном относятся к отложениям четвертичного, третичного палеоген-неогенового и каменноугольного возрастов [29].


Поэтому основные запасы подземных вод сосредоточены в каменноугольных отложениях и приурочены к отложениям вмещающих пород представленных в основном песчаниками и известняками, которые являются основными коллекторами, включая алевролиты и аргиллиты.


По условиям притока подземных вод в горные выработки при их разработке можно классифицировать как пластово-трещинный, в основном напорный (гидравлический градиент).


Фильтрационные свойства вмещающих пород варьируют в широком диапазоне и для угольных месторождений в основном составляют 0,002 до 0,06 м/с. Показателем фильтрационных свойств горных пород является коэффициент фильтрации Кф > который определяется по нижеследующей формуле: [30]


Кф = Кп v/ri (1.1)


Кп - свойство горных пород; v - плотность пород;


Т] - ВЯЗКОСТЬ ЖИДКОСТИ.


В этой связи следует отметить тот факт, что приток воды в горные выработки угольных шахт не имеет некоторой абсолютной величины. Это объясняется тем, что режим водопритока в течении эксплуатации люизводства имеет, как отмечают специалисты, два основных периода:


- в первый период водоприток в шахту резко возрастает вследствие вскрытия зоны интенсивной циркуляции подземных вод (особенно при


16

Список литературы

Скачать, 696.46kb.
Поиск по сайту:

Добавить текст на свой сайт


База данных защищена авторским правом ©ДуГендокс 2000-2014
При копировании материала укажите ссылку
наши контакты
DoGendocs.ru
Рейтинг@Mail.ru
Разработка сайта — Веб студия Адаманов